CN107112861A - 致动器 - Google Patents

Abstract

致动器(202)具有：棒状的中心磁轭(1)，其穿插于筒状的外磁轭(10)；支承构件，其使外磁轭(10)沿着中心磁轭(1)的轴向自由地进行直线移动；第1线圈(2)、第2线圈(3)以及第3线圈(4)，其卷绕于中心磁轭(1)；第1磁阵列(11)以及第2磁阵列(12)，其在外磁轭(10)的内周部与第1线圈(2)、第2线圈(3)以及第3线圈(4)对置地设置；板状的底板(13)，其设置于中心磁轭(1)的一端部；以及散热构件，其抵接于底板(13)。

Description

致动器

技术领域

本发明涉及一种致动器，特别涉及一种安装在部件组装用的机器人等中的线性致动器。

背景技术

一直以来，在机器人的顶端部安装末端执行器来进行部件组装等各种作业，但作为驱动末端执行器的致动器，有时也使用可动部相对于固定部自由地进行直线移动的线性致动器。

作为该线性致动器，能够使用不具有减速器而直接驱动可动部的、所谓的“直接驱动致动器”。

直接驱动致动器能够高速且高精度地进行动作控制，通过与机器人联动，能够扩大作业范围，但另一方面，存在难以小型化、高输出化的问题。另外，能够安装到机器人的顶端部的重量有限，所以要求小型且高输出、并且发热少的致动器。

作为直接驱动致动器之一，存在仅线圈在由钕磁铁等永磁铁产生的强大的磁场中进行往返运动的音圈马达(Voice Coil Motor，VCM)。音圈马达能够将可动部设计为轻型，但另一方面，由于是直接驱动马达，所以存在每体积的输出低且容易发热的问题。另外，存在热直接传递到安装于可动部的手等末端执行器从而末端执行器的温度升高的问题。

相对于此，专利文献1的音圈马达在定子处配置有空气注入机构。通过对电枢线圈进行空气冷却，不变更马达体形而提高特性。

另外，专利文献2的线性马达并列设置有多个音圈型线性马达单元。通过该结构，在抑制体积增加的同时，实现高输出化，并且将可动部与固定部热分离。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2004－328889号公报

专利文献2：日本专利第3683199号说明书

发明内容

发明要解决的技术问题

专利文献1的音圈马达虽然具有冷却电枢线圈的构造，但未公开对所产生的热进行散热的结构。

另外，由于直接通过空气对设置于可动部的电枢线圈进行冷却，所以对可动部的推力造成影响。

另外，专利文献2的线性马达并列设置有2根内磁轭，使用相互邻接的外磁轭来形成主磁路，因此，相对于使用1根内磁轭的线性马达，宽度变成2倍。进一步地，采用将2根内磁轭收容到有底箱状的固定台、并通过设置于固定台开口部的滑块以使外磁轭自由地进行直线移动的方式支承外磁轭的结构(所谓的“外轴承结构”)。在该结构中，存在无法使线性马达充分小型化的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供一种小型且高效率、并且抑制温度上升的致动器。

解决技术问题的技术手段

本发明的致动器具备：棒状的内磁轭，其穿插在筒状的外磁轭中；支承构件，其以使外磁轭沿着内磁轭的轴向自由地进行直线移动的方式支承外磁轭；线圈，其卷绕在内磁轭上；磁铁，其在外磁轭的内周部与线圈对置地设置；板状的底板，其设置于内磁轭的端部；以及散热构件，其抵接于底板。

发明效果

根据本发明，能够得到小型且高效率、并且抑制温度上升的致动器。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的致动器的分解立体图。

图2是本发明的实施方式1的致动器的立体图。

图3是沿着图2所示的致动器的A－B－C－D面的截面图。

图4是本发明的实施方式1的固定部的立体图。

图5是本发明的实施方式1的可动部的立体图。

图6是本发明的实施方式1的致动器的包括保护罩的立体图。

图7是本发明的实施方式1的致动器的包括保护罩的立体图。

图8的(a)是表示本发明的实施方式1的致动器的相对于轴向位置坐标的磁通密度大小的特性图；图8的(b)是表示本发明的实施方式1的致动器的磁通密度的分布的说明图。

图9是表示本发明的实施方式1的致动器的散热路径的说明图。

图10是表示本发明的实施方式1的致动器的磁性夹具的动作的说明图。

图11是本发明的实施方式2的致动器的立体图。

图12是沿着图11所示的致动器的A－B－C－D面的截面图。

图13是表示本发明的实施方式2的致动器的散热路径以及冷却动作的说明图。

具体实施方式

以下，为了更详细地说明本发明，依照附图，说明用于实施本发明的方式。

实施方式1.

参照图1～图7，说明本发明的实施方式1的致动器。

在图中，1是中心磁轭(内磁轭)。中心磁轭1由大致棒状的磁性体构成。

在中心磁轭1，相互间设有间隙地卷绕有第1线圈2以及第2线圈3。第1线圈2以及第2线圈3相对于未图示的电流源而串联或者并联连接，并流过相互反向的电流。

在第1线圈2与第2线圈3间的间隙，卷绕有第3线圈4。第3线圈4经由未图示的切换控制部而连接于电流源，与第1线圈2以及第2线圈3相独立地对流过的电流的方向进行自由地切换。

沿着中心磁轭1的轴心，形成有中空的轴承部5。在轴承部5的两端部，分别穿插有轴承构件6a、6b。在轴承构件6a、6b的中空部，穿插有比中心磁轭1细长的轴7。轴7以相对于中心磁轭1在轴向上自由地进行直线移动、并且以轴为中心自由转动或者不转动的方式被支承。

在此，在设成自由转动的情况下，轴承构件6a、6b由球轴套等构成；为了以不转动的方式设置，轴承构件6a、6b由花键螺母等构成。中心磁轭1与轴7之间，通过轴承构件6a、6b具有的轴承件而热分离。

在轴7的一端部，嵌合并固定有顶端桥接件(第1桥接部)8。在轴7的另一端部，嵌合并固定有底端桥接件(第2桥接部)9。顶端桥接件8以及底端桥接件9具有从大致十字形的主体部81、91的顶端部向彼此的相对方向延伸的4根臂部82、92。通过轴7、顶端桥接件8以及底端桥接件9而构成所谓的“中轴承结构”的支承构件。

在顶端桥接件8的臂部82的顶端部与底端桥接件9的臂部92的顶端部之间，固定有外磁轭(外磁轭)10。即，外磁轭10以相对于中心磁轭1自由地进行直线移动、并且自由转动或者不转动的方式被支承。外磁轭10由大致筒状的磁性体构成。

此外，主体部81、91的形状不限定于十字形，臂部82、92的根数不限定于4根。顶端桥接件8以及底端桥接件9只要是以使外磁轭10至少自由地进行直线移动的方式支承外磁轭10的构件，则可以使用任意的形状的构件。

在外磁轭10的一端部的内周部，遍布整周地设置有第1磁阵列(磁铁)11。第1磁阵列11由多个永磁铁构成。第1磁阵列11与第1线圈2设有间隙地对置。另外，根据外磁轭10的直线移动位置，第1磁阵列11还与第3线圈4对置。

在外磁轭10的另一端部的内周部，遍布整周地设置有第2磁阵列(磁铁)12。第2磁阵列12由多个永磁铁构成。第2磁阵列12设有间隙地与第2线圈3对置。另外，根据外磁轭10的直线移动位置，第2磁阵列12还与第3线圈4对置。

在此，第1磁阵列11与第2磁阵列12具有相互反向的磁极。例如，第1磁阵列11在与外磁轭10的抵接面侧有N极，在与第1线圈2以及第3线圈4的对置面具有S极。另一方面，第2磁阵列12在与外磁轭10的抵接面具有S极，在与第2线圈3以及第3线圈4的对置面具有N极。

在中心磁轭1的一端部，固定有凸缘状的底板13。在底板13上，设置有4个贯通孔131，各个底端桥接件9的臂部92自由滑动地穿插。

在底板13上，以覆盖底端桥接件9的方式，固定有有底筒状的安装夹具14。安装夹具14的底部141以相对于部件组装用的机器人的顶端部等外部装置而自由安装的方式形成。

在底板13上，以覆盖中心磁轭1以及外磁轭10的侧周部的方式，安装有大致圆筒状的保护罩15。保护罩15的内周部与中心磁轭1、外磁轭10、顶端桥接件8以及底端桥接件9之间设有间隙。在保护罩15的外周部，形成有多个散热片151。通过安装夹具14以及保护罩15来构成散热构件。

在底板13上，设置有环状的磁性体板16。磁性体板16与第2磁阵列12对置配置。磁性体板16发挥着将由于外磁轭10的直线移动而抵接于底板13的第2磁阵列12通过磁力(引力)进行保持的、所谓的“磁性夹具”的功能。

由中心磁轭1、第1线圈2、第2线圈3、第3线圈4、轴承构件6a、6b、底板13、安装夹具14、保护罩15以及磁性体板16构成固定部200。由轴7、顶端桥接件8、底端桥接件9、外磁轭10、第1磁阵列11以及第2磁阵列12构成可动部201。由固定部200以及可动部201构成致动器202。

接下来，参照图8，说明致动器202的磁通密度的分布。

图8的(a)是表示相对于可动部201的轴向位置坐标的、由第1磁阵列11以及第2磁阵列12产生的磁通密度的大小的特性图。图8的(b)表示在沿着图2A－B－C－D面的致动器202的截面处，第1磁阵列11以及第2磁阵列12形成的磁通φ。

如图8的(b)所示，第1磁阵列11以及第2磁阵列12形成的磁通φ为通过外磁轭10的整周和中心磁轭1的内部的环状的磁通。

一般的音圈马达为了形成环状的磁通，而与中心磁轭1以及外磁轭10相独立地设置用于使磁通折返的磁轭(所谓的“折返磁轭”)。实施方式1的致动器202是将2个马达串联连接而成的结构，并且通过中心磁轭1以及外磁轭10使磁通折返，所以能够不需要折返磁轭。通过该结构，能够使致动器202小型化。

另外，通过遍布外磁轭10的两端部的整周地设置第1磁阵列11以及第2磁阵列12，能够将外磁轭10的整周用于磁回路，磁阻变低。因此，能够使外磁轭10的壁厚变薄，能够使致动器202为轻型。

进一步地，中心磁轭1的中心部由于磁通密度低，所以对形成磁回路作出贡献的比例少。因此，即使在中心磁轭1的轴心设置中空的轴承部5，致动器202的效率也不怎么降低。因此，与采用固定台以及滑块的外轴承构造的以往的线性马达相比，通过采用轴7、顶端桥接件8以及底端桥接件9的中轴承结构，能够不使效率下降地实现小型化。

接下来，参照图9，说明致动器202的散热动作。

未图示的电流源对第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4供给电流，从而可动部201相对于固定部200进行直线移动。根据流过的电流，第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4由于铜损而发热。

另外，当以产生交变磁场的方式使电流在第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4中流过时，由于铁损，磁轭材料自身也发热。

此外，在不是通过线性马达频繁地重复进行加减速的用途中，相对于铁损，铜损是主导，所产生的热传递到中心磁轭1。

此时，在中心磁轭1与轴7之间，通过轴承构件6a、6b的轴承件而热分离。即，使卷绕有第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4的固定部200与设置有未图示的末端执行器的可动部201热分离。由此，能够防止设置于致动器可动部的末端执行器等的温度升高。

另外，中心磁轭1的热容相对于第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4的发热而设定得充分大，所以与如专利文献1那样将线圈设置在作为可动部的热容小的绕线管上的致动器相比，中心磁轭1的温度不会在短时间内急剧上升。

另外，专利文献1的致动器将作为发热源的线圈直接设置于可动部，所以在不使用基于空气的强制空冷机构的情况下，散热路径也只有经由末端执行器的自然冷却。

另一方面，在本申请的致动器中，从第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4传递到中心磁轭1的热经由底板13进一步地散热到热阻低的安装夹具14以及保护罩15。由此，能够大幅抑制致动器202的温度上升上限值，使到达上限的时间、即能够延长热时间常数。

接下来，参照图10，说明由磁性体板16进行的磁性夹具动作。

如图10所示，当由于可动部201的直线移动而第2磁阵列12接近于对置配置于底板13的环状的磁性体板16时，通过从第2磁阵列12的侧部泄漏的磁通，使第2磁阵列12向磁性体板16靠近。当第2磁阵列12抵接于磁性体板16时，磁性体板16通过磁力保持第2磁阵列12抵接的状态。

不具有磁性体板16的以往的致动器通过使电流在线圈中持续流过，保持外磁轭10抵接于底板13的状态(即，可动部201移动至底板13侧的端部的状态)。因此，当在致动器向下的状态中通过末端执行器抓持重量大的工件等情况下，线圈的发热变大。

与此相对地，实施方式1的致动器202通过磁性体板16与第2磁阵列12间的磁力(引力)，保持外磁轭10抵接于底板13的状态。由此，能够使在第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4中流过的电流降低或者零功率化，能够抑制第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4的发热。

此外，为了解除第2磁阵列12通过磁力抵接并保持于磁性体板16的状态，在短时间内施加最大电流即可。

由此，第2磁阵列12在最短时间内从磁性体板16脱离。

此时，第2磁阵列12与磁性体板16的吸引力根据其距离而成反比例且加速度地衰减，所以通过未图示的位置传感器监视移动距离，当离开至能够忽略吸引力影响的位置(1mm左右)后切换成控制模式即可。

如上所述，实施方式1的致动器202具有：棒状的中心磁轭1，其穿插于筒状的外磁轭10；支承构件，其以使外磁轭10沿着中心磁轭1的轴向自由地进行直线移动的方式支承外磁轭10；第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4，其卷绕于中心磁轭1；第1磁阵列11以及第2磁阵列12，其在外磁轭10的内周部以与第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4对置的方式设置；板状的底板13，其设置于中心磁轭1的一端部；以及散热构件，其抵接于底板13。由此，通过采用中轴承构造，能够在实现小型且高效率的致动器202，同时能够抑制致动器202的温度上升。

另外，致动器202使轴承构件6a、6b介于轴承部5与轴7间。通过轴承构件6a、6b的轴承件，将轴承部5与轴7之间热分离，从而能够防止末端执行器的温度升高。

另外，致动器202将覆盖中心磁轭1以及外磁轭10的侧周部的保护罩15用作散热构件。在保护罩15的外周部，设置有多个散热片151。由此，能够减少从中心磁轭1散热到底板13的热经由安装夹具14向机器人等外部装置的传递。

另外，底板13具有与第2磁阵列12对置配置的磁性体板16。磁性体板16起到磁性夹具的功能，从而能够降低在第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4中流过的电流，抑制第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4的发热。

另外，支承构件以使外磁轭10相对于中心磁轭1的轴心自由转动的方式支承外磁轭10。由此，能够得到小型且2个自由度的致动器202。

实施方式2.

参照图11～图13，说明设置有空冷用或者制冷剂用的孔部的致动器。此外，对与图1～图7所示的实施方式1的致动器202相同的结构构件附加同一符号而省略说明。

底板13在轴7的附近具有多个贯通孔17a、17b。中心磁轭1具有与贯通孔17a、17b连通的孔部18。孔部18以沿着轴承部5的附近的方式将贯通孔17a、17b之间相连，流过空气或者制冷剂。由此构成致动器203。

接下来，参照图13，说明致动器203的冷却动作。

首先，对底板13的贯通孔17a注入空气或者制冷剂。空气或者制冷剂通过中心磁轭1的孔部18，从贯通孔17b排出。由此，对中心磁轭1进行强制地冷却。

在此，如在实施方式1中说明的那样，中心磁轭1的中心部由于磁通密度低，所以对形成磁回路没多大贡献。因此，即使沿着中心磁轭1的轴心的附近地设置孔部18，致动器202的动作效率也不会大幅降低。

另外，无法通过中心磁轭1完全冷却的第1线圈2、第2线圈3以及第3线圈4的发热经由底板13散热到安装夹具14以及保护罩15。由此，能够抑制致动器202的温度上升，并且防止末端执行器的温度升高。

如上所述，实施方式2的致动器202在中心磁轭1处以沿着轴承部5的附近的方式设置有空冷用或者制冷剂用的孔部18。通过从底板13的贯通孔17a、17b将空气或者制冷剂注入以及排出，能够不使致动器202的动作效率降低而进一步抑制温度上升，防止末端执行器的温度升高。

此外，本申请发明在其发明范围内能够进行各实施方式的自由组合或者各实施方式的任意的构成要素的变形，或者能够在各实施方式中省略任意的构成要素。

产业上的可利用性

本发明的致动器能够安装到部件组装用的机器人等来使用。

符号说明

1 中心磁轭(内磁轭)

2 第1线圈

3 第2线圈

4 第3线圈

5 轴承部

6a、6b 轴承构件

7 轴

8 顶端桥接件(第1桥接部)

9 底端桥接件(第2桥接部)

10 外磁轭(外磁轭)

11 第1磁阵列(磁铁)

12 第2磁阵列(磁铁)

13 底板

14 安装夹具

15 保护罩

16 磁性体板

17a、17b 贯通孔

18 孔部

81 主体部

82 臂部

91 主体部

92 臂部

131 贯通孔

141 底部

151 散热片

200 固定部

201 可动部

202、203 致动器。

Claims (11)

1.一种致动器，其特征在于，具备：

棒状的内磁轭，其穿插于筒状的外磁轭；

支承构件，其以使所述外磁轭沿着所述内磁轭的轴向自由地进行直线移动的方式支承所述外磁轭；

线圈，其卷绕于所述内磁轭；

磁铁，其在所述外磁轭的内周部与所述线圈对置地设置；

板状的底板，其设置于所述内磁轭的一端部；以及

散热构件，其抵接于所述底板。

2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，

具备沿着所述内磁轭的轴心的中空的轴承部，

所述支承构件具备：

轴，其穿插于所述轴承部，以相对于所述内磁轭自由地进行直线移动的方式被支承；

第1桥接部，其嵌合于所述轴的一端部，并且抵接于所述外磁轭的一端部；以及

第2桥接部，其嵌合于所述轴的另一端部，并且抵接于所述外磁轭的另一端部。

3.根据权利要求2所述的致动器，其特征在于，

轴承件介于所述轴承部与所述轴之间。

4.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，

所述散热构件为覆盖所述内磁轭以及所述外磁轭的侧周部的保护罩。

5.根据权利要求4所述的致动器，其特征在于，

所述保护罩为圆筒状，

在所述保护罩的内周部与所述内磁轭以及所述外磁轭之间设有间隙，

在所述保护罩的外周部设置有多个散热片。

6.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，

所述散热构件为从所述底板向所述内磁轭的相反方向延伸，并且自由安装到外部装置的安装夹具。

7.根据权利要求6所述的致动器，其特征在于，

所述安装夹具以自由安装到部件组装用的机器人的方式形成。

8.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，

所述底板具备与所述磁铁对置配置的磁性体板。

9.根据权利要求8所述的致动器，其特征在于，

所述磁铁遍布所述外磁轭的内周部的整周而设置，

所述磁性体板为环状。

10.根据权利要求2所述的致动器，其特征在于，

所述内磁轭以沿着所述轴承部的附近的方式配备有空冷用或者制冷剂用的孔部。

11.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，

所述支承构件以使所述外磁轭相对于所述内磁轭的轴心自由转动的方式支承所述外磁轭。